電力光纖到戶(hù)光纜監(jiān)測(cè)與管理智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

電力光纖到戶(hù)（FTTH）建設(shè)工程是國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)的重要組成部分，是在低壓通信接入網(wǎng)中采用光纖復(fù)合低壓電纜（OPLC），將光纖隨低壓電力線(xiàn)敷設(shè)，實(shí)現(xiàn)到表到戶(hù)，配合無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)，建設(shè)電力光纖通信專(zhuān)網(wǎng)，覆蓋到每個(gè)電力用戶(hù)，承載用電信息采集、智能用電雙向交互、“三網(wǎng)融合”等業(yè)務(wù)。建成后，住戶(hù)將實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)的相互融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的共建共享，大幅降低“三網(wǎng)融合”實(shí)施成本，提高網(wǎng)絡(luò)的綜合運(yùn)營(yíng)效率。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，光纖到戶(hù)部署的規(guī)模將不斷擴(kuò)大，網(wǎng)上光纜的數(shù)量急劇增加。在大規(guī)模、多用戶(hù)單元的環(huán)境下，如何維護(hù)這些光纜是迫切需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的光纜線(xiàn)路維護(hù)管理模式，需要大量訓(xùn)練有素的專(zhuān)業(yè)人員以及測(cè)試具，故障查找困難，排障時(shí)間長(zhǎng)，影響通信網(wǎng)的正常工作。因此，實(shí)施對(duì)光纜線(xiàn)路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，動(dòng)態(tài)觀察光纜線(xiàn)路傳輸性能的劣化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)報(bào)光纜隱患，實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶(hù)業(yè)務(wù)恢復(fù)的快速高效響應(yīng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ．系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

與傳統(tǒng)光纜測(cè)試不同之處在于PON光纜網(wǎng)絡(luò)是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信連接，由于引入大分光比的分光器，分光器后面會(huì)有多條光纜，從而帶來(lái)測(cè)試的復(fù)雜性。由于PON網(wǎng)絡(luò)涉及分光器和后面大量的光纜，不適宜采用備纖測(cè)試，只能采用波分復(fù)用技術(shù)。加入波分設(shè)備（WDM），利用與PON業(yè)務(wù)波長(zhǎng)不同的1 650 nm波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，在接收端使用濾波器把測(cè)試波長(zhǎng)濾除，消除測(cè)試光對(duì)ONU（Optical Network Unit）的影響。

測(cè)試時(shí)1 650 nm測(cè)試光和業(yè)務(wù)光通過(guò)合波后經(jīng)過(guò)OLT（Optical Line Terminal）側(cè)光纜，到分光器件，再分到每個(gè)ONU段光纜。測(cè)試光在OLT至分光器段的光反射是單條光纜的反射信號(hào)，而分光器至ONU是將所有ONU光纜上的1 650 nm反射光傳送回來(lái)，經(jīng)過(guò)分光器聚合疊加后的反射信號(hào)送至OTDR進(jìn)行分析，每段光纜的特征信號(hào)是疊加總信號(hào)中，加上測(cè)試光經(jīng)過(guò)分光器衰減后信號(hào)本身?yè)p耗較大，反射的信號(hào)也不強(qiáng)。為此加入特別設(shè)計(jì)的強(qiáng)反射器單元，以增加每段ONU光纜在最末端的反射光能量。除增強(qiáng)ONU末端光纜強(qiáng)反射外，監(jiān)測(cè)站（RTU）采用針對(duì)PON的OT-DR測(cè)試信號(hào)分析算法，以及配置專(zhuān)用的OTDR模塊，能分辨出長(zhǎng)度差異在2 m內(nèi)的多條ONU光纜特征。即使采用1：64分光器，每段ONU光纜的末端反射信號(hào)都能被分辨出來(lái)。當(dāng)其中一個(gè)ONU光纜中斷，相應(yīng)的強(qiáng)反射峰會(huì)消失，借助這個(gè)強(qiáng)反射峰的消失，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷出對(duì)應(yīng)光纜產(chǎn)生中斷故障。在線(xiàn)方式充分利用現(xiàn)有PON網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的分光器件和在用纖芯，不需要額外占用纖芯、安裝分光器和進(jìn)行工程跳纖。能保證100%測(cè)試出客戶(hù)纖芯情況，且不影響現(xiàn)有用戶(hù)業(yè)務(wù)。測(cè)試方式與測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

2 ．系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 中心站設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用在中間應(yīng)用服務(wù)器基礎(chǔ)上的三層體系結(jié)構(gòu)。三層體系結(jié)構(gòu)合理地將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、應(yīng)用處理和結(jié)果展示（包括圖形、數(shù)據(jù)顯示）分開(kāi)，并將一部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和應(yīng)用計(jì)算從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上獨(dú)立出來(lái)轉(zhuǎn)移到應(yīng)用服務(wù)器上，這就可以減輕數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的處理壓力，使得數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)可以集中精力進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，而圖形數(shù)據(jù)顯示和處理則充分利用GIS平臺(tái)先進(jìn)、強(qiáng)大的圖形處理功能來(lái)進(jìn)行。從整個(gè)系統(tǒng)的角度上講，負(fù)荷分配比較均勻，提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和圖形處理能力。監(jiān)測(cè)中心由服務(wù)器、網(wǎng)管終端計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機(jī)及相應(yīng)的軟件等組成。設(shè)備之間通過(guò)10M／100M以太網(wǎng)相互連接，支持TCP／IP通信協(xié)議。監(jiān)測(cè)中心直接管理本區(qū)域內(nèi)的所有監(jiān)控站。中心站實(shí)現(xiàn)PON光纜網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的拓?fù)?、配置、測(cè)試、分析、故障、性能、安全等管理功能。提供對(duì)監(jiān)控站與服務(wù)器之間鏈路的監(jiān)視功能。一旦監(jiān)控站本身或與服務(wù)器之間的鏈路出現(xiàn)故障，監(jiān)控中心應(yīng)能及時(shí)提醒用戶(hù)，并提供相應(yīng)的安全和恢復(fù)功能。監(jiān)控中心能對(duì)系統(tǒng)和所監(jiān)測(cè)的PON光纜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行持續(xù)或間斷的測(cè)試、觀察和監(jiān)測(cè)，用以發(fā)現(xiàn)故障或性能的降低。被管理網(wǎng)絡(luò)中的RTU監(jiān)控站均由一個(gè)管理軟件平臺(tái)進(jìn)行管理，在一個(gè)工作窗口上監(jiān)視整個(gè)授權(quán)管理的區(qū)域，監(jiān)控中心的服務(wù)器支持所有RTU進(jìn)行的時(shí)間同步和狀態(tài)監(jiān)視。

2．2 監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

FTTH監(jiān)測(cè)站（RTU）是本系統(tǒng)的核心，該監(jiān)控單元擁有與OTDR儀表相同的測(cè)試功能和精度，通過(guò)對(duì)在本系統(tǒng)所安裝的OTDR模塊、控制模塊、電源模塊、光開(kāi)關(guān)（OSW）、波分復(fù)用器（WDM）、反射濾波器、網(wǎng)絡(luò)適配器及相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)集中控制管理，以達(dá)到對(duì)FTTH光纜的監(jiān)控。在同一臺(tái)RTU中可以同時(shí)集成用于長(zhǎng)途和骨干網(wǎng)監(jiān)控模塊，全面覆蓋從骨干到接入層的光纜測(cè)試。監(jiān)控站具有本地測(cè)試，以及監(jiān)控中心遠(yuǎn)端測(cè)試功能，按指令本地切換光開(kāi)關(guān)通道，并啟動(dòng)測(cè)試。監(jiān)控中心下發(fā)的測(cè)試完畢后，監(jiān)測(cè)站立即將測(cè)得的曲線(xiàn)數(shù)據(jù)文件回傳至監(jiān)控中心。測(cè)試內(nèi)容包括光纖通道的全程傳輸損耗及其光纖的光學(xué)長(zhǎng)度、光纖上各個(gè)接頭的損耗、兩接頭點(diǎn)之間的光纖衰減系數(shù)。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．3 預(yù)警設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)方式啟動(dòng)光時(shí)域反射儀（OTDR），對(duì)指定光纖進(jìn)行測(cè)試，獲取光纜測(cè)試數(shù)據(jù)，即沿光纜數(shù)萬(wàn)個(gè)均勻分布點(diǎn)的散射和反射功率電平值，所有取樣點(diǎn)的連線(xiàn)構(gòu)成了該光纖鏈路的OTDR曲線(xiàn)。縱軸表示功率電平（dB），橫軸表示距離（km）。光纖連接器、斷裂、終點(diǎn)會(huì)引起光的反射，形成向上突變的反射事件；光纖的彎曲、熔接會(huì)增加光纖的衰耗，引起向下的突變，形成非反射事件。通過(guò)數(shù)據(jù)分析找到曲線(xiàn)的突變點(diǎn)，確定光纖頭端、尾端、接頭、熔接等光纖事件點(diǎn)。通過(guò)與參考數(shù)據(jù)比對(duì)，分析事件點(diǎn)、光纜段、光纖鏈路衰耗數(shù)據(jù)的變化，確定光纜的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)變化超過(guò)預(yù)警門(mén)限時(shí)，發(fā)出預(yù)警信息。主要包括以下步驟：

（1）確定分光器位置。計(jì)算噪聲數(shù)據(jù)最小值，并查找達(dá)到該值最左邊的點(diǎn)leftpts_noisefloor，該點(diǎn)之前的反射事件且衰耗大于門(mén)限的點(diǎn)就是分光器位置。從后往前判斷測(cè)試數(shù)據(jù)值，如果小于或等于noisefloor，將noisefloor置為該點(diǎn)的值，同時(shí)將leftpts_noisefloor設(shè)為該點(diǎn)，循環(huán)結(jié)束即可準(zhǔn)確找到。

（2）分析反射事件。從曲線(xiàn)開(kāi)始點(diǎn)到末端E點(diǎn)，采用最小二乘法擬合直線(xiàn)L。確定從光纖起始點(diǎn)到尾端E之間所有反射事件R，查找在直線(xiàn)L上方，測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)與該點(diǎn)在L上投影的差值，超過(guò)反射門(mén)限的點(diǎn)，其中分光器后每個(gè)反射事件分別為ONU光纜的結(jié)束位置。

（3）分析非反射事件點(diǎn)。根據(jù)接頭R將所測(cè)光纖分為若干段，分別在所分光纜區(qū)間段再作直線(xiàn)擬合，在每段光纖內(nèi)分別確定非反射事件點(diǎn)。至少連續(xù)10個(gè)點(diǎn)在L上方，且與投影差的最大值大于事件計(jì)算門(mén)限，作為疑似非反射事件，再根據(jù)最后一次擬合的直線(xiàn)判斷該點(diǎn)衰耗是否大于門(mén)限，進(jìn)行確認(rèn)。

（4）預(yù)警判斷。僅以事件點(diǎn)衰耗數(shù)據(jù)比對(duì)為例：

3 ．結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)的FTTH光纜網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可用于電信、聯(lián)通、網(wǎng)通和移動(dòng)等電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)，以及所有使用光纜作為傳輸線(xiàn)路的企業(yè)，提供針對(duì)光纜網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測(cè)、維護(hù)、資源管理等各項(xiàng)服務(wù)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，線(xiàn)路監(jiān)測(cè)和管理智能化的要求會(huì)越來(lái)越高，也因此使電力光纖到戶(hù)光纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為電力通信市場(chǎng)的一個(gè)新亮點(diǎn)，而得到空前的發(fā)展。